“Crystals are like people: it is the defects in them which tend to make them interesting!”, C.J. Humphreys, 1979.
2D Abbildung eines Kristalls bestehend aus Wirtsgitteratomen (grün) mit eingelagerten Zwischengitteratomen (lila).
So wie Menschen existieren perfekte Kristalle unter Normalbedingungen in der Natur nicht. Sie beinhalten Fehler bzw. Defekte. Eine Form von Defekten sind Punktdefekte. Unter anderem sind das Zwischengitterelemente, die einen enormen Einfluß auf die Materialeigenschaften haben können.
So kann z.B. das eingelagerte Zwischengitterelement Wasserstoff (H) die elektronischen Eigenschaften des Palladiumkristalls (Pd) derart verändern, dass das Wirtsgitter zu einem Supraleiter wird.
Das H Atom hat aber auch negative Effekte. Es kann zum Beispiel Materialversprödungen verursachen. Ein berühmtes Beispiel ist die Dachkonstruktion der Berliner Kongresshalle, die im Jahr 1980 eingestürzt ist.
Die eingestürzte Dachkonstruktion der Berliner Kongresshalle.
Der Spannstahl der Dachkonstruktion wurde durch das eingelagerte Zwischengitterelement H spröde und versagte unter dem enormen Druck.
Umgekehrt kann man aber auch Zwischengitteratome dazu benutzen um Materialien gezielt zu verfestigen. So kann man mit Hilfe von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) besonders harte Werkzeugstähle erzeugen.
Aber auch in Funktionswerkstoffen spielt der Einbau von Zwischengitteratomen eine große Rolle.
Für die erwähnten Beispiele sind sowohl die Löslichkeit als auch die Beweglichkeit der Zwischengitterelemente kritische Parameter, die vom ausgewählten Material abhängig sind. Die Löslichkeit, also die Konzentration kann zum Beispiel mit Hilfe von Sieverts Gesetz
und der Kenntnis von Entropie (Delta S) und der Lösungsenthalpie (delta H) bestimmt werden. Wobei letztere entscheidend für die Temperaturabhängigkeit ist und deshalb hier im Fokus steht.
Die Anzahl an Arbeiten mit systematischen Untersuchungen der Lösungsenthalpien für einzelne Zwischengitterelemente ist überschaubar. Eines der fundiertesten Untersuchungen in dieser Richtung für das Wasserstoffatom in Übergangsmetallen ist die Arbeit von R.Griessen (z.B. Phys. Rev. B 38, 3690 (1988)). Seine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet ermöglichte ihm Ende der 80er Jahre ein Modell zu entwickeln mit dem er die Enthalpie des H-Atoms in den Übergangsmetallen lediglich durch die physikalischen Eigenschaften der Wirtsgitter ausdrücken konnte.
Griessen Modell vs experimentell bestimmte Lösungsenthalpien.
Die Formel besteht aus einem Produkt mit drei Termen, wobei zwei dieser Terme chemischer Natur sind.
Eine spezifische Größe der elektronischen Zustandsdichte (dE) und die d-Bandbreite (W_d) des Wirtsgitters.
Der dritte Term ist durch die Geometrie des Wirsgitters gegeben. Es ist die Summe (R_j) der Abstände zwischen der Gitterposition und den nächsten Nachbaratomen.
